개요: 대략 1910년 이후의 VCO(전압 제어 발진기) 기술 발전사를 되짚어 본다. RF IC 내의 VCO 내장 사례를 제시하기로 한다. 현재까지의 기술, 성능 및 크기 측면에서의 발전사를 설명한다. 지금까지의 역사와 기술에 비추어 미래의 경향도 예측하고 있다.
전압 제어 발진기(VCO)는 다양한 주파수 대역에 걸쳐 튜닝을 해야 하는 무선 시스템과 기타 통신 시스템에서 널리 사용되는
회로이다. VCO는 다양한 제조사에서 다양한 패키지, 다양한 성능 수준으로 제조하고 있다. 그러나 요즘과 같은 표면 부착식 RF
IC형 VCO는 거의 100년 전에 개발된 기술에 그 뿌리를 두고 있다. VCO 기술의 발전은 그 때로부터 지금까지 발전을 거듭해
보다 작고 위상 잡음및 튜닝 선형성이 개선된 회로들이 계속 등장하고 있다.
Edward Armstrong이 헤테로다인 원리[1]를 발견한 이래 발진기는 필수적인 회로 요소로 사용되어 왔다. 이 애플리케이션에서, 발진기는 사인파 신호를 비선형 믹싱 회로 요소에 제공하여 발진기 신호를 다른 입력 신호에 곱함으로써 주파수 해석이 가능하도록 한다. 물론 Armstrong은 주파수 해석을 제어하기 위해 필요한 것이 해당 주파수에서 안정적으로 사인형 시변 전압(또는 전류)을 제공하는 전기 회로라는 사실을 발견하였다. 그는 이와 비슷한 시기에 오디온(Audion; 초기의 진공관)을 사용하여 발진 회로를 만들 수 있다는 사실도 찾아냈으며, 이에 따라 최초의 전자식 발진기[2]를 효과적으로 고안해냈다(이는 초기의 무선 송신기에 사용되던 조악한 스파크 갭 발진기와 그 형태가 다른 것이다).
실로 Armstrong의 발명은 발진기 기술에 있어 혁명적인 것으로, 이로 인해 스파크 방식 전송 회로는 곧 바로 자취를 감추었으며
이는 고성능 무선 수신기 회로의 개발로 이어졌다. Armstrong의 1910년 발견으로부터 현대에 이르기까지, VCO 기술은
진공관 발진기로부터 트랜지스터 발진기로, 그리고 발진기 모듈 솔루션으로, 그리고 마침내 요즘과 같은 RF IC 기반의 발진기로
발전을 거듭해 왔다. 지금도 VCO 기술은 빠르게 변화하고 있으며, 앞으로는 많은 시스템에서 사용되는 발진기가 이전의 회로와
오직 기본적인 토폴로지 또는 수식 외에는 닮은 것이 없는 상태에 이르게 될 것이다.
Armstrong의 발견은 곧 Rober V.L. Hartley의 발진기 회로 토폴로지에 의해 개선되었다(그림 1). Hartley는 한창 발전되고 있던 진공관 기술을 활용하여 진공관이 증폭 소자로서 기능하고 인덕터 피드백에 의해 발진이 재생성되는 발진기 회로를 고안해 냈다. 발진 주파수는 코일 인덕턴스와 회로 커패시턴스에 의해 정해진다. 이 회로는 사인파 신호의 생성에 있어 일종의 혁신이었다. 코일 또는 커패시터의 변경만으로 훨씬 넓은 범위의 주파수 생성이 가능해졌기 때문이다. Hartley 발진기 회로는 전송 회로에 널리 쓰였으며 곧 세계 제1차 대전에서 사용되었다. 송신 회로와 수신 회로 모두가 이 새로운 진공관 방식의 발진기 회로를 사용했다. 이러한 발진기 회로의 혁신은 매우 널리 전파되어 오늘날 사용되고 있는 Hartley, Colpitts, Clapp, Armstrong, Pierce 및 그 외의 다양한 토폴로지의 기초가 되었다.
그림 1. Hartley 발진기의 예: (a)트라이오드 방식 (b) JFET 방식
Armstrong의 수퍼헤테로다인 수신기 원리에서, 입력 신호는 발진기 신호와 믹싱되어 상수값의 중간 주파수(IF)를 만들어내게 된다. IF를 상수값으로 유지하기 위해, 발진기는 입력 신호의 주파수가 바뀜에 따라 주파수를 바꾸어야 한다. 가변 주파수 발진기를 사용함으로써 주파수 변환 회로를 광범위한 입력 RF 신호에 맞추어 튜닝하고 AM 라디오와 같은 다채널 통신이 가능하게 되었다. 이러한 가변 주파수 발진기는 기본적인 공진 회로 발진기의 응용으로서, 공진 회로 요소 중 하나(인덕터 또는 커패시터)의 값이 달라지는 것이다. 주로 커패시터의 값을 변경하는 쪽이 더 많이 사용되었다. 고품질의 가변 커패시터는 여러 개의 판을 합친 공기 간극 커패시터로 구성되었다. RF 기술이 발전함에 따라 발진기 회로의 구현 방법에 있어서도 엄청난 혁신들이 이루어졌다. 수많은 형태의 코일, 가변 커패시터, 피드백 테크닉 및 진공관이 고안되어 발진기 및 주파수 변환 회로 구성에 쓰였고, 정교한 회로 구조들이 만들어져 무선 송수신기 앞에 기계식 다이얼이 부착된 정밀 고품위 발진기 주파수 튜닝 장치로 구현되었다. 그림 2에는 1929년 Hartley식 송신기를 재현한 모델의 사진이다(HAM 무선 통신의 열성 취미가인 W9QZ(통신명)의 재현 작품이다). 초기에 만들어진 많은 전자 제품의 모습이 그러하듯, 이 회로 역시 부피가 크고 가격도 비쌌으며 높은 전원 전압을 필요로 했다.
그림 2. 1929년형 Hartley식 송신기
진공관 방식 발진기는 AM 및 FM 라디오, 텔레비전, 군용 음성 통신 등 상용 및 군용 수신기에 오랫동안 널리 사용되어 왔다. 그러나 트랜지스터와 배랙터 다이오드와 같은 반도체 증폭 소자의 발견으로 인해 VCO 기술은 또 한 번의 극적인 전환이 이루어졌다. 최초의 바이폴라 트랜지스터는 1940년대 말 Bell 연구소(뉴저지 Holmdel 소재)에서 발견되었고, 1950년대에 이르러 트랜지스터는 진공관의 대체 소자가 되었다. 트랜지스터는 진공관에 비해 크기도 작고 전력 소비도 적었으며 필요한 전원 전압도 낮고 궁극적으로 비용도 덜 들었다. 트랜지스터는 발진기의 능동 소자인 진공관의 대체 소자가 되었고 발진기 토폴로지에 있어 극적인 변화를 가져왔다.
배랙터 다이오드(역방향 바이어스 된 PN 접합으로부터 얻어지는 가변 전압 커패시턴스를 이용함)의 등장은 트랜지스터보다도 더
많은 영향을 VCO 기술에 미쳤다고 할 수 있다. 1960년대 초반, 상당한 연구 노력이 배랙터 기술에 투입되었고, 배랙터는 VCO 내의 가변 커패시턴스 소자로서 기계적 조작이 가능한 부품의 역할을 하게 되었다. 배랙터는 PLL 회로의 발전에 엄청난 역할을 했으며 이로써 주파수 소스의 정밀한 전자적 제어가 가능해졌다. 이 때 빠르게 성장하고 있는 텔레비전 산업은 배랙터 및 트랜지스터 기반의 VCO로의 전환을 가속화하는 데 큰 역할을 했다. 원가 절감, 저전력, 고품질에 전자 튜닝 방식이며 주파수 범위의 조정이 쉬운 VCO가 가능해진 것이다. 1960년대부터 1980년대까지 트랜지스터 및 배랙터 개별 소자 방식으로 만들어진 VCO는 전자 설계의 대부분에 채용되었다. 그러나 1980년대에는 두 가지 VCO 관련 신기술이 등장했다. 즉, 모듈 방식의 모놀리틱 VCO와 IC 방식이 그것이다. 그림 3에는 지난 80년간의 VCO 기술 개발 연혁이 소개되어 있다.
그림 3. 연대별 VCO 기술 발달사
배랙터, 커패시터 및 인덕터 크기의 소형화로 인해 VCO를 모듈 형태로 만들 수 있게 되었다. VCO 모듈은 기본적으로 개별
소자 방식 발진기의 미니어처 버전으로, 금속 하우징 안에 장착되어 있는 기판 상에 회로를 꾸민 것이다. 이 모듈은 필요한 모든
부품을 내장하고 있었으며 접지, 전원, 튜닝 전압, 출력 부하로 연결만 시켜 주면 되는 형태를 하고 있다. 이러한 모듈은 1960년대에
군용으로 첫 선을 보였는데, 이 때는 크기가 꽤 컸으며(수 평방 인치) 상대적으로 가격이 비쌌고 상용 제품에서는 트랜지스터와
배랙터 개별 소자로 구성한 VCO가 쓰이고 있었다. VCO 모듈이 상용 시장에서도 수요가 발생하기 시작한 것은 이동 전화가
등장하면서부터 였다.
개별 소자 방식 VCO은 어떤 주파수 및 튜닝 범위에든 맞추어 제작할 수 있다는 장점이 있으나, 일반적으로 부품 편차에 따라
주파수 설정에 관련된 부품의 조정에 많은 노력이 들게 된다. 또한 개별 부품 방식의 VCO는 전파 방출을 막고 풀링 효과를
억제하기 위해 차폐를 철저히 해야 한다는 단점도 있다. 그러나 1980년대 말부터 1990년대 초까지 휴대 전화의 판매량이
늘어나면서 "하나의 캔으로 담긴" 형태의 발진기 모듈에 대한 수요가 증가했다. 소형화에
특히 강세를 보이는 일부 일본 업체들이 소형의 원가 절감형 VCO 모듈을 이동 전화용으로 개발했다. 새로운 무선 애플리케이션이
등장하면서 VCO 모듈 제조 업체들은 개별 애플리케이션에 특화된 주파수 계획에 대응하는 제품을 개발하기 시작했다. 표면 부착형
부품이 점점 작아짐에 따라(1206, 0805, 0603, 0402, 0201), 더욱 작고 더욱 저렴한 신형 VCO 모듈이
개발되었다. 그림 4에는 전형적인 첨단 상용 VCO 모듈의 소형화 이력이 나와 있다. 현재 이러한 개선 노력으로 인해 초소형(4
x 5 x 2mm)의 모듈이 대량 구매시 $1.00 가까이에 거래되고 있다(미국 기준). VCO 모듈 크기에 대한 15년 주기의 소형화 경향은 실로 대단한 것이었으며 셀룰러 폰과 같은 신형 무선 장치에서 요구되는 극한의 소형화 요구를 만족시켰다. 여기에, 1990년대 말에는 모놀리틱 VCO IC라는 또 하나의 혁신을 통해 더욱더 작고 원가를 절감할 수 있는 VCO 기술이 등장하게 되었다.
그림 4. 연도별 VCO 모듈 크기 소형화 추세
모놀리틱 IC VCO 기술은 LC VCO의 모든 회로 요소(트랜지스터, 커패시터, 저항, 인덕터 및 배랙터 다이오드)가 하나의 칩 안에 구현된 VCO로 정의된다. VCO 모듈에서와 같이 이 소자들이 완전한 VCO 회로를 구성하여 전원, 접지, 출력, 튜닝 입력 및 디지털 제어 회선만 있으면 동작하게 된다. (전압 제어식 링 발진기 회로는 이 정의로부터 제외되었는데, 이는 위상 잡음성능이 나쁘고 대부분의 무선 시스템에서 사용되지 않기 때문이다.) 초창기의 모놀리틱 VCO IC는 GaAs IC 기술 및 MMIC(모놀리틱 초단파 집적 회로) 기술의 개발과 그 시점을 같이 하고 있다. 모놀리틱 VCO는 상용 및 군용 MMIC 애플리케이션에 대한 연구가 집중되던 1980년대 초반(주 연구 후원자는 미국 DARPA MIMIC 프로그램이었음)에 발표된 문서1,2에서 등장하였다. 초기의 MMIC VCO는 2인치 웨이퍼를 사용하여 GaAs IC 공정으로 제조되었는데, 공간 효율이 좋지 않아 결과적으로 비용 효율도 높지 않았다. 일반적으로 이 VCO 제품들은 수 GHz 주파수로 동작하여 위성 수신기 및 레이더 시스템에 사용하는 것을 목적으로 하고 있었다.
대부분의 초기 모놀리틱 GaAs VCO는 DARPA MIMIC 연구의 일부로서 진행되었으며, 상용 시장에 대한 영향은 거의 없었다. 실리콘 IC 기술은 1980년대 동안 여전히 낮은 주파수 대역에 머물러 있었으며 GHz 대의 모놀리틱 VCO에 필요한 대역폭을 확보하지 못하고 있었다. 그러나 1990년대가 되면서 실리콘 IC 기술은 고주파 실리콘 모놀리틱 VCO의 개발에 충분한 높은 천이 주파수(fT)와 적합한 모놀리틱 부품(높은 Q값을 갖는 인덕터 및 고주파 커패시터
및 배랙터 다이오드)을 확보하면서 발전하게 되었다. 또한 무선 시장 역시 800~2500MHz 대역 저 비용 VCO에 대한 수요를 가속화하기에 충분한 크기와 성장 잠재력을 가지고서 성장했다.
이전까지 대부분의 상용 무선 시스템은 모놀리틱 VCO IC의 실용화를 요구하지 않아도 될 만큼 충분히 낮은 주파수에서 동작하고
있었다. 온칩 인덕터의 값은 너무 높았다. 문헌상에 나와 있는 실리콘 모놀리틱 VCO의 최초 버전은 캘리포니아 버클리 주립대가
최초(1992)이다3. 비록
모놀리틱 실리콘 VCO IC 기술의 구현 방법을 제시하는 수준이기는 했지만, 이 VCO는 독특하고 혁신적인 토폴로지를 채용하였으며,
주파수가 두 개의 공진 회로 사이에서 전기적인 "보간법"을 이용하여 변경되는 방식이었다. 실로 이 연구성과, 그리고 이후 버클리 주립대의 Robert Meyer 교수 이하 대학원생들이 수행한 추가적인 연구는 전체 모놀리틱 VCO 연구의 진흥에 선구적인 역할을 했다.
1995년 무렵 실리콘 VCO IC에 대한 연구 논문들이 유수의 대학에서 발표되었다4,5.
이 논문에는 현대적인 모놀리틱 LC(인덕턴스-커패시턴스) 공진 회로 VCO IC에 대한 최초의 사례 몇 가지가 실렸다. 1996년에서
1997에 이르는 기간 동안 서로 다른 모놀리틱 VCO IC 구현 방법에 대해 엄청난 양의 논문이 나왔다6-11.
이 기간은 상용 가치가 있는 모놀리틱 VCO IC의 태동기라 할 수 있다. 모놀리틱 VCO IC는 고주파 바이폴라 트랜지스터
IC 기술, 그리고 실리콘 CMOS IC 기술의 두 가지 측면에서 모두 개발 중이었다. 학술 연구용으로는 일반적으로 널리 공정
기술이 알려진 CMOS 기술을 사용하였으며, 업계의 연구팀에서는 RFIC 전용 바이폴라/BiCMOS 공정 기술을 사용했다.
그림 5에는 CMOS 및 바이폴라/BiCMOS 공정 기술로 구현한 전형적인 모놀리틱 VCO 회로가 나와 있다.
그림 5. MOS 및 바이폴라 공정으로 구현한 전형적인 모놀리틱 VCO 코어 회로
일반적으로, 이 초기 VCO IC 회로는 개별 소자 회로 및 VCO 모듈에 비해 성능이 떨어졌다. 특히 위상 노이즈와 튜닝 특성이 일반적으로 개별 소자 또는 모듈로 구현하는 쪽보다 열악했다. 이러한 단점은 원리상으로는 Q값이 떨어지는 인덕터 및 당시의 IC 공정으로 구현한 조악한 배랙터 다이오드 때문에 생겨난 것이었다.
그러나, 모놀리틱 VCO가 초소형화, 원가절감, 그리고 RF 송수신기 기능이 구현되는 것과 동일한 공정으로 얻어진다는 장점이
증명되었다. 따라서 VCO는 믹서, LNA 및 PLL 등 여타 RF 및 IF 회로에 집적될 수 있다는 것을 증명한 것이다. 송수신 소자에 VCO를 저렴하게 집적할 수 있다는 장점은 모놀리틱 VCO IC를 상용화하는 동력이 되었다. 상용 900MHz 확산 스펙트럼 무선 전화 칩셋이 그 좋은 예이다12.
1990년대 말, VCO IC 기술은 상당한 진전을 보였다13-19. 이것은 무선 시장의 폭발적인 성장과 고주파 바이폴라, CMOS 및 BiCOMS 공정 기술의 발전에 기인한 것이었다. 업계 및 학계에서 상당한 양의 연구 개발 노력이 투입되었다. 위상 잡음성능 개선, 동작 주파수의 확장 및 VCO의 튜닝 범위 조정을 온칩으로 구현하는 것이 주된 관심사였다. 이러한 개선을 통해 모놀리틱 VCO가 무선 전화, Bluetooth, WLAN, GPS 및 DBS 애플리케이션 용 RFIC에서 사용될 수 있게 되었다. 표 1에는 모놀리틱 VCO를 포함하는 상용 RFIC가 요약되어 있다.
표 1. 상용 RFIC에서의 모놀리틱 VCO 집적
Unit
Frequency Range
Source
Application
MAX2622-24
855-998MHz
Maxim
general purpose 900MHz ISM
MAX2750-53
2025-2500MHz
Maxim
general purpose 2.4GHz ISM band
MAX2754
1145-1250MHz
Maxim
2.4GHz cordless phones
MAX2115
925-2175MHz
Maxim
DBS
MAX2900
902-928MHz
Maxim
900MHz ISM band (wireless meter reading)
MAX2820
2400-2500MHz
Maxim
802.11b WLAN
RF105
902-928MHz
Conexant
900MHz cordless phones
SA2400
2400-2500MHz
Philips
802.11b WLAN
BlueCore-01
2400-2500MHz
CSR
Bluetooth
TRF
2400-2500MHz
TI
Bluetooth
GRF2i/LP
1575MHz
SiRF
GPS
AR5111
5.2-5.8GHz
Atheros
802.11a WLAN
이러한 VCO IC와 이를 포함하는 통합 솔루션은 VCO 모듈보다 크기 및 비용 효율 면에서 유리하며 개별 소자 솔루션에 비해 더욱 쉽고 빠르게 사용할 수 있다. 모놀리틱 VCO는 이전의 기술보다 훨씬 개선된 이점을 제공한다. 이 세대의 VCO 기술은 무선 전화, 무선 데이터 라디오 및 DBS 수신기에 충분한 수준이며, 따라서 이러한 시스템에 널리 응용되고 있다. 그러나 위상 잡음성능은 여전히 고속 이동통신 시스템(GSM, IS-136, CDMA 등)이 요구하는 수준을 만족하기에 부족한 수준(약 5dB~10dB 높은 수준)이다. 인덕터의 낮은 Q값 및 과도한 바이어스 잡음은 VCO 위상 잡음성능을 제한하는 요인이 되고 있다. 본드 와이어 인덕터를 사용한 일부 연구에서 희망적인 결과가 도출되기는 했지만 아직 VCO IC 기술에서 위상 잡음을
낮추는 것은 실현 가능성이 낮아 보인다. 하지만 이 역시 일시적인 현상으로 보인다. 최근 3년간(1999-2001) VCO 설계 부문에서 많은 연구들이 이루어졌고 이를 통해 미래의 분명한 경향을 예측할 수 있다.
주요 경향
모놀리틱 VCO의 위상 잡음개선을 위해 몇 가지 경향의 연구가 이루어지고 있다. 예를 들어, 기본적인 RFIC 공정 기술이 개선되고 있다. 반도체 공정으로 얻을 수 있는 Q값이 높아지고 있고, 능동 및 수동 소자의 성능도 개선되고 있다. 실리콘 공정을 사용해서도 fT가 50GHz 이상 되는 트랜지스터를 제조할 수 있으며 높은 Q값을 갖는 배랙터 다이오드가 넓은 커패시턴스 튜닝 범위(그리고 낮은 직렬 등가 저항)를 갖고 등장하고 있다. 이러한 공정에는 손실이 적은 기저 실리콘, 보다 두꺼운 메탈 및 Q값이 높은 인덕터 등의 사용이 포함된다. 기생 성분을 줄여 VCO의 위상 잡음을 줄이고 동작 주파수를 높이며 소비전류가 적은 VCO 개발이 가능해지고 있다.
설계 기술 역시 보다 진보하고 있다. VCO 개발자들은 성능 개선을 위한 보다 세련된 회로를 고안함으로써 IC 기술의 능력을
보다 키우고 있다. 이들은 개별 소자 또는 모듈 방식의 VCO로 구현 불가능하던 차동 발진기 토폴로지, 진폭 제어, 2차 고조파
트랩, 복수의 발진기를 사용하는 커플링과 토폴로지를 개선하는 IC 트랜스포머, 고주파 동작이 가능한 새로운 구조 등 신기술을
도입하고 있다.
또한 설계 엔지니어들은 VCO 이론에 대한 이해의 깊이를 더하고 있다. 즉 Van de Pol 및 Leeson 방정식 등
과거의 수학 모델로부터 발진기 동작(튜닝 특성 및 위상 잡음성능)에 대한 새로운 분석적 표현을 찾아내고 있는 것이다. 예를
들어 설계자들은 Leeson의 잡음공식을 Abidi 관계식을 써서 수정하는 단계에 와 있다. 또한 PC와 워크스테이션의 증가
및 발달에 따라 CAE 기술이 강력하고 보다 섬세해져 VCO 동작 모델을 실험하여 성능 개선점을 찾아내는 데 사용되고 있다.
모놀리틱 VCO 기술은 신제품의 수가 증가하고 고품질의 VCO가 송수신 회로 내에 집적되는 등 계속 진보하고 있다. 예를
들어, WLAN 및 Bluetooth 시장의 최신 송수신기는 VCO를 RF 송수신기 IC에 집적하여 개별 소자 버전에 비해
그 크기를 매우 줄이고 있다. 고성능 WLAN 무선 장치(2.4GHz IEEE 802.11b 및 5GHz 802.11a
버전)에서, 시스템은 필요한 패킷 데이터 속도를 얻고 성능 수준을 유지하기 위해 위상 잡음이 매우 적은 고성능 VCO를 요구하고
있다.
RFIC VCO 기술의 향상은 위성 수신기, CATV 셋탑 박스, 무선 데이터 애플리케이션, 무선 전화, 이동통신 등 보다
많은 수의 상용 RF 애플리케이션의 수에서 이러한 통합 소스에 대한 매력을 더욱 높이고 있다. 분명한 것은, 모놀리틱 VCO가
개별 소자 또는 VCO 모듈 솔루션에 비해 그 점유율을 계속 높여가고 있다는 점이다. 모놀리틱 VCO가 모든 대량 상용 무선 시스템에서 가장 많은 발진기 솔루션으로 사용될 날이 멀지 않았다. VCO는 커다란 진공관에서부터 1mm도 안 되는 실리콘에 이르기까지 괄목할 만한 성장을 해왔다.
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참고
헤테로다인 원리는 시간 영역에서의 두 신호를 곱하여
주파수 영역에서의 주파수 이동을 만들어내는 기술로 정의된다. 이 원리는 무선 시스템에서 주파수 해석을 위한 기본적인 기술이다.
Edwin Armstrong 및 Lee DeForest는 모두 당시 재생식 수신 회로를 연구하고 있었다. 이 재생식 회로가 최초의 발진기의 기원이 되었다.
본 기사와 유사한 기사가 Microwave and RF 2002년 7월호에 게재되어 있습니다.
Atheros는 Atheros Comminucations, Inc.의 등록상표이다.
Bluetooth는 Bluetooth Sig, Inc.의 등록상표이다.
Conexant는 Conexant Systems, Inc.의 상표이다.
IEEE는 Institute of Electrical and Electronics Engineers의 서비스 마크이다.
TI는 Texas Instruments Incorporated의 등록상표이다.
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